MDB規格與車輛側圍結構響應相關性研究

朱海濤，劉 磊，李 博

(中國汽車技術研究中心，天津 300162)

2016190

MDB規格與車輛側圍結構響應相關性研究

朱海濤，劉 磊，李 博

(中國汽車技術研究中心，天津 300162)

C-NCAP側面碰撞測試(2015版)中，采用了EEVC WG13基于歐洲20世紀車型的統計結果而開發的EEVC Adv-2000側面移動壁障(MDB)。它能否代表我國的“平均”車型，有待研究。另一方面，C-NCAP評價結果顯示：采用EEVC-MDB、垂直撞擊前排假人“H”點的測試方法不能有效評價高星級車輛的安全性能。基于上述背景，進行了車輛前端尺寸調查；根據調查結果，確定相應的試驗方案；將車輛側圍結構的響應值作為評價指標，通過對某款車型仿真結果的分析，評估新方案的可行性。

MDB規格；“平均”車型；試驗設計；車身側圍響應

前言

汽車側面碰撞試驗中，側面移動變形壁障(MDB)用來代表撞擊車輛，其設計參數能代表乘用車“平均”性能參數。

現有側面碰撞法規或星級評價體系中，以美國和歐洲為代表：兩者均以相應區域內的車型特性，來定義MDB規格，并將MDB應用到側面碰撞試驗中。其它國家或地區的MDB性能也基本參照了歐美的參數。

但是由于各國及各地區消費觀念的差異，銷售車輛類型及所占權重并不完全相同，因此“平均”車型的規格也會有所不同，直接參考歐美的做法是不科學的；由此制定的側面碰撞試驗方法可能會與實際情況相悖，甚至會錯誤引導車輛安全的設計方向。

本文中通過向汽車企業發放調查表的形式，統計乘用車相關外觀尺寸；并據此，在研究相關MDB規格的基礎上，進行MDB碰撞參數比對設定；對于某款車型，運用整車CAE模型(模型進行了50km/h移動變形壁障試驗和仿真數據對比, 結果表明此整車有限元模型的有效性、穩定性和可靠性, 可以用作進一步的研究[1])，基于Hypermesh和LS-DYNA軟件進行仿真，通過車輛側圍結構響應特性，驗證新方案實施的可行性。

1 側面碰撞車身結構安全性評價基準

側面碰撞事故中，乘員的傷害與對應車體區域的變形、速度和加速度等物理量直接相關[2]。其生存空間主要受車體側面結構侵入量影響；而傷害主要源自乘員各部位與車體的相對運動，研究結果表明，肋骨變形量與B柱腰線處的侵入速度呈現近似的線性關系[3]。因此將車身侵入量和侵入速度作為輸出評價指標，研究側面碰撞試驗方法對乘員傷害的影響是合理并有意義的。

車輛的側圍評價區域包括前后門和B柱，其中車門區域通過碰撞假人在乘坐狀態下的部位來確定：前門使用ES2假人，包括假人胸部、腹部和骨盆位置對應的車門區域；后門使用SID-IIs假人，包括胸部、腹部和骨盆位置對應的車門區域。

1.1 入侵量評價基準

對于側面B柱結構變形的評價，美國公路安全保險協會(IIHS)做出如圖1所示的評價方法[4]，若碰撞后B柱內板與座椅中心線的距離大于125mm，說明車身變形處于“優”等級，車身具有良好的乘員生存空間；當該距離大于50mm，視為“達標”；而當該距離大于零，則算“及格”。

圖1 B柱變形評價方法

企業在車輛側面結構安全開發時，一般按照下述目標進行設計[5]：對于50km/h MDB側撞，一般要求碰撞后B柱呈倒“S”變形，且假人胸部位置高度B柱侵入小于100mm；而對于29km/h側面柱碰撞，一般要求碰撞后，B柱內板到座椅中心線的最小距離大于125mm。

1.2 入侵速度評價基準

對于車門侵入速度，在50km/h MDB側撞下，企業一般按照如下目標進行車身安全設計：在接觸時段內，對應假人胸部侵入速度為6～7m/s,假人腹部侵入速度為6.5～7.5m/s,假人骨盆侵入速度為7～8m/s。本文中將胸部侵入速度小于7m/s,腹部侵入速度小于7.5m/s,骨盆區域侵入速度小于8m/s認定為滿足設計目標值要求。

2 MDB規格的影響與參數的確定

2.1 MDB規格的影響

MDB規格、碰撞角度、碰撞速度、碰撞點位置是汽車側面碰撞試驗中的關鍵參數，不同的側面碰撞試驗方法，上述參數不盡相同。表1為依據不同標準中參數變化區間確定的4因素、4水平試驗設計。

表1 試驗設計對應因子及水平

圖2 極差法(R法)示意圖

(1)

式中：Rj反映了第j因素水平變動時試驗指標的變動幅度。Rj越大，說明該因素對試驗指標的影響越大，因此也越重要。

圖3為車身撞擊側圍各區域侵入量對應的極差值。可見，在碰撞側前門、B柱和后門3個區域中，碰撞參數對侵入量影響具有相同特征趨勢：MDB規格對試驗結果的影響最大；碰撞角度其次；碰撞速度與碰撞點位置的影響相當；碰撞點位置是4個已知因素中對車身侵入量指標影響最小的因素。圖4為車身撞擊側圍各區域侵入速度對應的極差值計算結果。

圖3 車身撞擊側圍侵入量指標對應的極差值

圖4 車身撞擊側圍最大侵入速度對應極差值

由圖4可見，上述碰撞參數在侵入速度指標下也具有同樣的影響趨勢。

綜上所述，在上述4個影響因子中，MDB規格是對車身碰撞結構影響最為顯著的因素。因此，以中國市場上銷售的車型為對象，展開相應參數調查是必要的。

2.2 MDB相關參數的獲取

在側面碰撞試驗中，MDB的功能是模擬撞擊車輛(在交通事故分析中一般視為肇事車)，因此，MDB參數的選取，理應基于實際側撞事故統計數據中撞擊車的有關信息，但限于這方面統計數據的缺乏，本文中權且根據文獻[6]中在進行車輛正面碰撞試驗轎車前艙結構運動與變形分析中引用的CAE分析經驗數據換算得到，前艙各關鍵部件吸能占前艙所有部件吸收總能量的比例為：發動機蓋3.4%，前保險杠橫梁11.9%，散熱器6.8%，吸能盒16.9%，縱梁42.4%，副車架6.8%。說明縱梁是碰撞中吸能的主要部件。因此，在確定MDB的結構形式與尺寸時，就重點考慮縱梁。

2.2.1 調查信息和統計方法

車輛外觀尺寸數據通過企業填寫調查表的形式來獲取[3]，圖5為車輛外觀尺寸調查參數示意圖。

圖5 車輛外觀尺寸調查參數示意圖

調查內容包括車輛總體寬度、前減振器高度、縱梁上下高度和整備質量等參數。項目共獲取24個企業、115款車型外觀尺寸數據。數據涵蓋70%以上的乘用車企業。納入統計范圍的車型覆蓋了各個級別：其中基本型乘用車66款(其中小型車6款，A級車43款，B級車17款)，SUV 39款，MPV10款。圖6為統計車型分布示意圖。

圖6 統計車型分布示意圖

考慮各類車型在我國汽車市場上的銷量，在確定車型“平均”外觀尺寸時，根據各車型的銷量權重，對統計值進行加權修正。圖7為近年來我國汽車市場上乘用車的銷量數據：從2010-2013年共計銷售基本型乘用車4 237.1萬臺，MPV 274.2萬臺，SUV 790.9萬臺。從這4年的銷量數據看，基本型乘用車占79.91%，MPV占5.17%，SUV占14.92%。

圖7 2010-2013年我國乘用車市場銷量數據

2.2.2 統計數據分析

圖8為乘用車前部縱梁下端高度的統計結果。可以看出，對于縱梁下端，5分位高度值為372mm；95分位值為508mm；50分位值為440mm。根據銷售量加權修正后的高度為432mm。圖9～圖12分別為縱梁上端高度、前端減振器高度、車輛整體寬度和車輛整備質量統計結果。

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圖8 乘用車前部縱梁下端高度統計值

圖9 乘用車前部縱梁上端高度統計值

圖10 乘用車前端減振器高度統計值

圖11 乘用車整體寬度統計值

圖12 乘用車整備質量統計值

圖13 基于統計尺寸的壁障前端高度

從對應的圖中可以看出，上述參數對應50分位加權修正后為：縱梁上端高度為549mm；前端減振器為861mm；車輛整體寬度為1 777mm；車輛整備質量為1 342kg。根據車輛的整備質量，加上駕駛員質量(76kg)，取臺車質量為1 420kg。

2.2.3 統計值與MDB參數值對比

MDB前端尺寸統計參數見圖13,防撞梁下端離地高度(a1)為432mm,上端離地高度(a2)為549mm，頂部離地高度(a3)為861mm。圖14為4種典型側面碰撞中壁障的高度尺寸。可以看出，防撞梁下端離地高度統計值(a1)與IIHS(圖14(c))更為接近；對于防撞梁的中心高度((a1+a2)/2)，統計值為490.5mm，與AE-MDB(圖14(d))防撞梁中心高度更為接近；防撞梁寬度(a2-a1)統計值為117mm，與這幾種壁障的寬度有所差異(圖14(a)～圖14(c))；對于壁障頂部離地高度(a3)，統計值為861mm，與IIHS-MDB(圖14(c))差異較大，與其它3種壁障更為接近。

圖14 典型側面碰撞試驗中壁障高度

綜合上述比較結果，在現有AE-MDB基礎上，將壁障的高度上調50mm，是與統計值更為吻合的設置方案。

3 MDB參數對車輛側圍結構的影響

3.1 試驗設置

根據上述參數統計值，在研究典型MDB規格和相應試驗方法的基礎上，進行了試驗方案設計，如表2所示。方案中共設計了6次試驗，碰撞速度均設定為50km/h。試驗方案中，試驗1為C-NCAP(2015版)采納方案，試驗4為EURO-NCAP(2015版)采納方案，試驗5是基于統計參數值的設置方案。

表2 仿真試驗方案設置

圖15為6次試驗中，碰撞側車身侵入量最大時對應的應力分布圖。

圖15 車身碰撞側圍侵入量最大時對應的應力分布圖

3.2.1 側圍侵入量

為便于不同試驗之間的相對比較，引入一個指標——相對侵入量λ，定義為

λ=io/ib

(2)

式中：io為輸出指標，即實際侵入量；ib為比較基準值，這里采用C-NCAP(2015版)的輸出指標。

圖16為6次試驗中車輛側圍區域侵入量對應的λ值。從圖中可以看出侵入量整體變化情況。

圖16 車身各部位的相對侵入量

(1) 當碰撞點位置后移時，前門區域侵入量減小，后門區域侵入量增大。在使用EEVC-2000壁障的試驗2中，前門和B柱區域對應的λ值約為0.9，后門胸部及以下區域λ平均值為1.6，表明碰撞中心點后移250mm后，前門區域侵入量平均減小10%，后門胸部及以下區域侵入量平均增加60%；在使用AE-MDB壁障的試驗3和4中，有同樣的變化趨勢，與試驗3相比，試驗4的前門區域侵入量平均降低13.6%，后門區域平均增加51.7%。

(2) 與試驗1(采用C-NCAP方法)相比，試驗4(采用EURO-NCAP方法)臺車整備質量由950kg增至1 300kg,碰撞壁障由EEVC-2000變為AE-MDB，且碰撞中心點后移250mm。上述變化導致車輛側圍侵入量整體增大，尤其是后門胸部及以下區域，侵入量平均增幅達到85%。

(3) 使用AE-MDB壁障的試驗4-試驗6的結果對比表明，臺車質量的增加和吸能壁障高度的提升，會導致車輛側圍整體侵入量增大。與試驗4相比，試驗5的臺車質量增加120kg、前端高度提升50mm，導致車輛側圍區域侵入量平均增加43.7%；同樣條件下將高度由50mm上調為80mm(試驗6)，車輛側圍區域侵入量平均增加91.4%。

圖17為6次碰撞試驗中，車輛側圍結構內板位置距離座椅中心線的距離，圖中坐標中心點代表該距離為120mm，按照IIHS評價程序，在該車型6次試驗中，側圍結構碰撞后的侵入量均處于“優”等級，其中試驗6中B柱區域的侵入量最小，距離座椅中心線約125mm。

圖17 側圍內板位置距離座椅中心線距離

圖18為6次試驗中側圍結構侵入量。其中B柱中部位置與ES2假人的胸部位置相對應。在使用EEVC-2000壁障的試驗1和2中，B柱中部的侵入量小于100mm；在使用AE-MDB壁障的其它4次試驗中，該位置侵入量均超出100mm的設計目標值。其中試驗4，B柱的侵入量為108mm；試驗5中為150mm，超出目標值50%；試驗6中為197mm，超出目標值接近100%。

圖18 碰撞過程中車身側圍最大侵入量

3.2.2 側圍平均侵入速度

實車碰撞試驗數據表明該車型前排ES2假人處于約束狀態下的時間域在15～40ms范圍內，后排SID-IIs假人處于約束狀態下的時間域在30～60ms范圍內。因此對于模擬試驗中的前門侵入速度，在15～40ms范圍內進行數據分析；后門侵入速度在30～60ms的范圍內進行數據分析。圖19為車輛前門胸部區域對應的侵入速度。

圖19 前門假人胸部區域對應的車身側圍侵入速度

表3 6次試驗中車門相應區域平均侵入速度 m/s

表3中黑色區域代表侵入速度未達到目標設計值要求。在試驗4中，前門腹部及后門胸部侵入速度剛剛超出目標設計值要求；試驗5和6中，前門腹部、后門胸部均超出目標設計值要求，并且試驗5中的后門腹部、骨盆區域也同樣未能達到設計值要求，但從具體侵入速度值來看，通過相應車體結構改進，能夠實現目標設計值要求。

4 結論

極差法計算結果表明，在設計側面碰撞試驗方

法時，MDB規格是對車身側圍結構響應影響最為顯著的因素。

通過115款車型相關參數加權統計，得到的“平均”車參數如下：防撞梁中心位置高度為490.5mm，前端結構總體高度為861mm，車寬為1 777mm，整備質量為1 342kg。

典型側面用壁障規格與“平均”車參數對比表明，在AE-MDB臺車基礎上將質量配至1 420kg(考慮駕駛員質量78kg),并將壁障前端高度上調50mm，使壁障保險杠中心位置高度達到500mm，總體高度達到850mm，是更為合理、科學的試驗方案。

[1] 劉磊.美標下汽車側面耐撞性結構改進[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2012.

[2] 胡玉梅,姜亞洲,等.轎車側面碰撞乘員艙分區剛度優化與匹配研究[J].汽車工程,2014,36(8):950-956.

[3] Hideki Yonezawa, Takeshi Harigae, Yukihiro, et al. Japanese research activity on future side impact test procedures[C].23nd ESV Conference,Paper 2012(12-267).

[4] Insurance Institute for Highway Safety. Side impact test program protocol and rating guidelines[S].2012.

[5] 吉利汽車技術中心.汽車側面碰撞性能設計[R].2013.

[6] 李寶玉,徐澤華,等.正碰試驗轎車前艙結構運動及變形分析[C].第十八屆汽車安全技術學術會議,2015.

A Study on the Correlation Between MDB Specificationsand Side Panel Structure Response

Zhu Haitao, Liu Lei & Li Bo

ChinaAutomotiveTechnologyResearchCenter,Tianjin300162

EEVC Adv-2000 side moving deformable barrier (MDB) developed by EEVC WG13 based on the statistical results of European vehicle models in 20th century is adopted in C-NCAP side impact test (2015 Edition). On one hand, whether it can represent the “average” vehicle models in China remains to be studied; on the other hand, C-NCAP evaluation results indicate that using EEVC-MDB with a testing scheme of perpendicularly hitting the “H” point of front-row dummy is unable to effectively evaluate the safety performance of high star vehicles. In view of these, a survey on the front-end dimensions of vehicles is conducted, based on which a corresponding test scheme is worked out, with the responses of side panel structures of vehicle as evaluation indicators. Finally the feasibility of the scheme proposed is assessed by the analyses on the simulation results of a car model.

MDB specification;“average” car model; design of experiment; body side panel response

原稿收到日期為2015年9月21日。